Bài thực tập chuyên đề phổ nguyên tử Khóa 2006, 09/2009 Bài PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ KỸ THUẬT HÓA HƠI LẠNH (CV-AAS) XÁC ĐỊNH Hg I Lý thuyết: a Giới thiệu: phương pháp hóa lạnh kỹ thuật đặc biệt sử dụng để xác định Hg mà Đây kỹ thuật nhạy để xác định Hg Các kỹ thuật nguyên tử hóa khác F-AAS; GF-AAS; ICP áp dụng để xác định Hg có độ nhạy thấp mà kết có độ tin cậy không cao có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ độ xác phép xác định b Chọn vạch: phương pháp xác định Hg phổ nguyên tử, người ta sử dụng vạch hấp thu không cộng hưởng 253.7nm ứng với chuyển dời 1So → 63P1 (lực dao động tử 0.025), theo quy tắc lọc lựa bước chuyển không phép không nhạy Thực tế Hg có vạch cộng hưởng 184.949nm tương ứng với bước chuyển 1So → 61P1 (lực dao động tử 1.17), bước chuyển phép nhạy gấp 47 lần so với vạch 253.7nm Tuy nhiên vạch 184.949 nm nằm vùng tử ngoại chân không, chịu nhiều ảnh hưởng nước, oxygen nitrogen không khí nên sử dụng c Phương pháp hóa lạnh (cold vapour): Về nguyên tắc kỹ thuật hóa điểm mấu chốt để có phổ nguyên tử, tức kỹ thuật bắt buộc muốn ghi phổ nguyên tử nguyên tố Tuy nhiên kỹ thuật hóa lạnh đặc trưng cho Hg Lý giải điều phải dựa vào đặc tính lý hóa Hg: Hg nguyên tố tồn thể lỏng điều kiện thường với áp suất cao 1.3 10 -3 mmHg tức 1.71 10-6atm (25 oC) điều quan trọng không Hg tồn dạng đơn nguyên tử thể (chứ không nằm liên kết kim loại đa số nguyên tố khác) Cho nên thay sử dụng nhiết độ cao để thực nguyên tử hóa Hg từ hợp chất Hg (II), ta sử dụng chất khử mạnh (ví dụ NaBH 4, SnCl2) để khử trực tiếp hợp chất Hg (II) Hgo dể bay đồng thời sử dụng dòng khí mang sục vào dung dịch (không khí, N2, Ar) lôi Hg bay đến cuvet đặc biệt, ta tiến hành đo hấp thu A Chất khử thường sử dụng SnCl hay NaBH4 Trong môi trường acid HCl xảy phản ứng sau: a BH4- + 3H2O + H+ → H3BO3 + 8H* (mới sinh) HgCl42- + 2H* → Hgo + 2H+ + b HgCl42- + SnCl3- → Hgo + 4Cl- SnCl62- + Cl- o ESnCl = +0.139V 2− / SnCl − ,3Cl − o E HgCl 2− / Hg liquid , 4Cl − = +0.438V E Ho + / H * = −2.1065V Hơi Hg hấp thu xạ đơn sắc từ đèn HCL Hg cho phổ hấp thu Do NaBH đắt tiền nên SnCl2 thường sử dụng làm chất khử phép phân tích Hg II Quy tắc định lượng Hg Nguyên tắc chung Sự hấp thu xạ đặc trưng phát từ đèn cathod rỗng plasma chứa đơn nguyên tử trạng thái tuân theo định luật Lambert Beer A = lg I0 = KLC I Trong A độ hấp thu (mật độ quang), kỹ thuật lửa: A lấy trung bình theo thời gian, kỹ thuật lò graphite: A phụ thuộc vào mật độ Hg cuvet (ống thạch anh), trường hợp lý tưởng tỷ lệ với nồng độ (C) Hg mẫu L: đoạn đường xạ cuvet chứa Hg C: nồng độ Hg có dung dịch mẫu K: hệ số tỉ lệ thuận với hệ số Einstein Bjo (tỉ lệ với lực dao động tử ) Io, I: cường độ tia quy chiếu tia qua mẫu tương ứng Việc đo tín hiệu hấp thu phụ thuộc vào thiết kế thiết bị tạo Hg - Khi tín hiệu hấp thu Hg đặn (steady state) ổn định lấy chiều cao - Khi tín hiệu hấp thu dạng peak (transient) lấy theo chiều cao (chênh lệch cực đại nền) hay diện tích 2 Các thiết kế thực tế dùng tạo Hg quang phổ hấp thu nguyên tử Tạo Hg theo mẻ Trong thíết bị này, dung dịch chuẩn/mẫu cần xác định Hg đuợc lấy lượng định cho phản ứng với chất khử để tạo Hg o Hgo sinh tồn dung dịch đuợc hóa nhờ dòng khí mang sục liên tục lôi cuối Hg khỏi dung dịch Thải bỏ liên tục Hơi Hg bị lôi liên tục tới ống hấp thu (như hình vẽ) thoát hệ thống nhờ phận hút khí độc Trong thời gian máy AAS liên tục đo mật độ Hg ống Tín hiệu hấp thu ban đầu tăng dần đạt cực đại, sau giảm dần toàn Hg mẫu bị lôi hết Tuần hoàn Trong hệ thống này, Hg từ bình chứa mẫu đuợc lôi nhờ dòng khí sinh từ bơm khí, trình lôi Hg hỗ trợ máy khuấy từ khuấy trộn mẫu liên tục Hơi Hg nước qua ống chữ U chứa chất hút ẩm, Hơi Hg tiếp tục qua cell đo quay trở lại bình chứa mẫu Do Hg tan nước nên Hg quay trở lại không tan vào pha nước Theo thời gian Hg pha nước bị lôi vào pha khí Máy AAS đo liên tục mật độ Hg cell đo Tín hiệu hấp thu tăng dần từ 0, đạt cực đại ổn định Sau đo hệ thống valve khí đụơc vặn qua vị trí khác để thổi loại bỏ toàn Hg hệ thống, hướng dòng Hg vào bình hấp thu để thu hồi Tích góp Về bản, hệ thống có cấu tạo vận hành tương tự hệ thống trình bày theo kiểu thải bỏ liên tục Điểm khác biệt bẫy thủy ngân đặt sau bình phản ứng Bẫy thủy ngân lưu giữ Hg dựa tượng tạo hỗn hống (amalgam) Hg số kim loại Đối với mục đích này, Au hay hợp kim Au-Pt thuờng đuợc dùng để bẫy vàng kim loại tương đối trơ với tác nhân hóa học hệ phản ứng Hơi Hg sau bị lôi khỏi mẫu qua lưu giữ bẫy vàng Sau toàn Hg mẫu bẫy hết, bẫy đuợc gia nhiệt đến 600-800oC để phân hủy hỗn hống, giải phóng toàn Hg khoảng thời gian 1-2s Hơi Hg sau giải phóng đến cell đo đuợc máy AAS ghi độ hấp thu, sau qua cell đo, Hg thóat khỏi hệ thống Tín hiệu hấp thu Hg trường hợp có dạng peak sắc nhọn, đối xứng, có bề rộng đáy 1-2s Tạo Hg liên tục Theo hệ thống này, mẫu, chất khử chất mang tạo môi trường đuợc bơm liên tục bơm nhu động kênh Hệ thường dùng NaBH làm chất khử chất khử mạnh, phản ứng khử diễn nhanh hoàn toàn so với Sn 2+ Ngoài hệ thống dùng để xác định nguyên tố tạo hydride As, Se, Sn, Bi, Pb… Nên việc dùng Sn2+ làm chất khử nồng độ cao gây nhiễm bẩn hệ thống gây khó khăn cho ứng dụng sau Đầu tiên mẫu chất mang (thường acid) trộn lẫn “mixing coil” sau tiếp tục trộn với chất khử NaBH4 Một dòng khí mang (N2 hay Ar) đuợc đưa liên tục vào hệ thống để tạo bọt xen kẽ với mẫu Các bọt khí nâng cao hiệu khuấy trộn dòng chất lỏng chạy hệ thống Dòng chất lỏng hỗn hợp qua cuộn dây xoắn (reaction coil dài 1-2m) để tác chất có thời gian phản ứng Sau phản ứng, dòng chất lỏng bơm tới thiết bị tách lỏng khí, nhờ dòng khí mang thứ hai có tác dụng thổi lôi Hg đến cell đo Dòng chất lỏng chứa tác chất đụơc đẩy liên tục vào bình thải Như trình phản ứng, tách lôi Hg diễn liên tục Tín hiệu hấp thu tăng từ đạt ổn định trình đạt cân Điều cần lưu ý hiệu suất lôi Hg từ mẫu không đạt 100% Tạo Hg theo kiểu tiêm dòng chảy Hệ thống gần tương tự hệ thống dòng chảy tiêm liên tục vừa trình bày Điểm khác biệt mẫu không đuợc tiêm liên tục mà đuợc không chế lượng xác định valve + loop tương tự hệ thống tiêm mẫu thường thấy sắc ký lỏng Khi không tiêm mẫu (vị trí valve: LOAD), dòng chất mang, chất khử bơm liên tục qua hệ phản ứng Dòng mẫu đuợc bơm liên tục qua loop đến bình thải Khi hệ thống vận hành chế độ tiêm mẫu (vị trí valve: INJECT), dòng chất mang nối với loop, đẩy mẫu loop trộn với chất khử chất mang đến reaction coil để phản ứng, sau đến tách lỏng-khí Hơi Hg bị lôi theo dòng khí mang đến cell đo Dòng mẫu đuợc bơm liên tục đến bình thải không qua loop Tín hiệu hấp thu đo đuợc có dạng peak III NỘI DUNG THỰC TẬP  Thực hành phân tích Hg thiết bị tạo Hg theo mẻ - thải bỏ liên tục thiết bị AAS Perkin Elmer PE-603/sục khí theo mẻ tương tự MHS-10 (modified MHS-10)  Thực hành phân tích Hg thiết bị tạo Hg theo mẻ - tuần hoàn thiết bị AAS PE 603/MVU-1 Các điều kiện thực nghiệm cách đo độ hấp thu máy PE-603/”modifiedMHS-10” a Khởi động máy b Lắp đặt đèn cathode rỗng vào giá gắn đèn (lamp turret), chỉnh dòng đèn đạt 60-85% cường độ làm việc cho đèn c Cài đặt khe (0.2 H) , bước sóng Chọn mode Setup, điều chỉnh núm chỉnh đèn chiều không gian để hướng toàn xạ phát từ đèn cathode rỗng vào detector d Kiểu lấy tín hiệu: liên tục e Lắp “modified-MHS-10” f Mở van bình khí mang Ar (hay N2), điều chỉnh áp suất đầu đồng hồ đến 1atm g Chọn thông số máy phù hợp: đèn, hóa hơi, bước sóng, khe Thời gian tích phân 0.5s * Cách đo: + Nạp 25mL nước cất chuẩn mẫu vào bình chứa mẫu + Thêm 1mL SnCl210% + Lắp bình vào hệ MHS-10 đồng thời cho máy ghi đo tín hiệu hấp thu Ghi tín hiệu thấy độ hấp thu cực đại + Sau ghi xong tín hiệu (sau phút), tháo bình chứa mẫu ra, đổ rửa bình nước thường, tráng rửa dung dịch K 2Cr2O7 5%, rửa lại bình nước cất Nạp 20 mL mẫu tiến hành đo tương tự Cách đo độ hấp thu máy PE 603/MVU1 a Khởi động máy PE 603 b Lắp đặt đèn cathode rỗng: Lắp đèn cathode rỗng vào giá gắn đèn (lamp turret), chỉnh dòng đèn đạt 60-85% cường độ làm việc cho đèn c Cài đặt khe, bước sóng Chọn mode EM, diều chỉnh núm chỉnh đèn chiều không gian để hướng toàn xạ phát từ đèn cathode rỗng vào detector d Nối ống hút mẫu vào bình chứa nước cất Nối ống dẫn Hg vào ống thạch anh gắn đầu đốt Chỉnh vị trí ống theo chiều không gian để tín hiệu hấp thu tối thiểu e Khởi động hóa MVU-1 f Chờ tín hiệu ổn định, hiệu chỉnh Zero (nhấn phím AZ) g Hút V mL dung dịch chuẩn 50 ppb/mẫu - cho lượng Hg dung dịch không 600 ng- vào hóa hơi, thêm nước cất lần (bằng ống đong) cho đủ 150 mL Thêm mL dung dịch SnCl2 10%, nhanh chóng lắp bình phản ứng vào hệ MVU1, quan sát tín hiệu hấp thu, thấy tín hiệu hấp thu vuợt tín hiệu hấp thu dung dịch chuẩn có nồng độ cao nên lấy thể tích mẫu Ghi nhận tín hiệu hấp thu cực đại kèm theo thời gian từ lắp bình phản ứng vào hệ tín hiệu đạt tới giá trị cực đại (bằng đồng hồ bấm giây) Khi quan sát thấy tín hiệu cực đại ổn định, đặt thời gian tích phân 5s Ghi tín hiệu lần h Đường chuẩn tính theo khối lượng Hg: tham khảo bảng bên i Sau vừa đo xong mẫu, vặn khóa MVU-1 từ chế độ “measure” sang chế độ “clear” để đẩy hết Hg hệ thống vào bình hấp thu Hg Dấu hiệu rửa sạch: tín hiệu hấp thu trở 0.000 j Tháo bình chứa mẫu khỏi hệ thống, rửa sạch, tráng dung dịch K 2Cr2O7 0.5% nước máy, sau nước cất lần Nạp mẫu cho lần đo Phần thực hành Lưu ý chung:  Chỉ lưu trữ dung dịch chuẩn có nồng độ lớn hay 1000ppm Các dung dịch có nồng độ thấp nên pha trước sử dụng phải pha K2Cr2O7 0.05% để tránh Hg  Các dung dịch có nồng độ nhỏ hàng ppb mau bị hư bị hấp phụ thành bình Chỉ dùng vài Pha chế dung dịch chuẩn thuốc thử a Dung dịch chuẩn gốc thuốc thử: - Dung dịch chuẩn Hg(II) 1000ppm từ HgCl2 (PTN thực hiện) - Chuẩn bị dd pha loãng HNO 0.5%: mL HNO3 đđ pha thành L nuớc cất lần - Dung dịch K2Cr2O7 5% (PTN thực hiện) - Dung dịch chuẩn trung gian Hg(II) 10ppm từ Hg(II) 1000ppm: hút xác mL Hg(II) 1000ppm, mL K2Cr2O7 5% định mức thành 100 mL dung dịch HNO3 0.5% - Dung dịch chuẩn Hg 50 ppb chứa 0.05% K 2Cr2O7, HNO3 0.5%: hút 1.25 mL Hg(II) 10ppm, 2.5 mL K2Cr2O7 5% định mức thành 100 mL dung dịch HNO 0.5% - Dung dịch K2Cr2O7 0.5% dùng để tráng bình mẫu: cân 0.5g K 2Cr2O7 hòa tan thành 100 mL nước cất lần - Dung dịch SnCl2 10% (200 mL): hòa tan 20g SnCl 2.2H2O 180mL nước cất, thêm 2mL HCl đđ, để lắng, gạn lấy phần Chuẩn bị dung dịch hàng ngày trước dùng - Các acid H2SO4 6M, HNO3 6M, HCl 6M pha từ acid đậm đặc tương ứng: sinh viên pha sẵn dung dịch acid trung gian H 2SO4 6M (acid 1:2), HNO3 6M (2:3), HCl (1:1), ống đong, thực pha chế tủ hút Mỗi acid pha 0.5L b Đường chuẩn: Đường chuẩn cho hệ “modified-MHS-10”: Thể tích chuẩn/mẫu bình đo hệ MHS-10: 25 mL No chuẩn mHg bình phản ứng (ng) 25 [Hg(II)](ppb) tương ứng 1.0 Dung dịch pha loãng: HNO5 0.5% 50 2.0 75 3.0 100 4.0 150 6.0 250 10.0 Không cần thiết chuẩn bị dung dịch bình định mức mà tính toán lượng hút pipet sử dụng, ví dụ dung dịch chuẩn có C Hg = 5ppb (ng/mL); muốn pha 25mL dung dịch tức nên hút 2.5 mL (chính xác) dung dịch Hg 50ppb (khoảng) 22.5 mL nước cất vào bình chứa mẫu Đường chuẩn cho hệ MVU-1: Không cần pha dung dịch chuẩn, thể tích chuẩn/mẫu bình đo hệ MVU-1 là: 150 mL No chuẩn mHg bình phản ứng (ng) 30 [Hg(II)](ppb) tương ứng 0.2 Dung dịch pha loãng: HNO5 0.5% 60 0.4 150 1.0 300 2.0 450 3.0 600 4.0 Thí nghiệm: • Dựng đuờng chuẩn: thực hệ MHS-10 MVU-1 theo nồng độ có ghi bảng tương ứng • Khảo sát ảnh hưởng acid:  Thực hệ “modified MHS-10” tất khảo sát  Các nồng độ acid khảo sát ghi bên Cần ý nồng độ cho nồng độ dung dịch hệ phản ứng Thể tích acid cần lấy tùy thuộc vào thể tích hệ phản ứng  Cố định nồng độ Hg khảo sát 2.0 ppb tương ứng với lượng 300 ng Hg bình phản ứng  Mỗi nồng độ acid khảo sát, nên thực mẫu trắng kèm theo để trừ Ví dụ đo dung dịch Hg/H2SO4 nồng độ từ 2.0 M nên đo mẫu trắng dung dịch không chứa Hg chứa H2SO4 2.0 M  Nếu phép đo ổn định, khảo sát cần thực lần lặp - H2SO4: nồng độ từ 0.25; 0.5; 1.0; 1.5 M (nồng độ thực tế bình phản ứng) - HNO3: nồng độ từ 0.5; 1.0; 2.0; 3.0 M (nồng độ thực tế bình phản ứng) - HCl: nồng độ từ 0.5; 1.0; 2.0; 3.0 M (nồng độ thực tế bình phản ứng) o Khi sử dụng cho phép đo, sinh viên cần tính toán thể tích acid cần lấy (bằng ống đong) thể tích nuớc cần thiết để có nồng độ theo yêu cầu Ví dụ cần khảo sát nồng độ acid M, sinh viên pha từ acid M (trung gian) cách lấy thể tích acid + thể tích nước cất (1 lần) Dùng ống đong lấy acid nước Báo cáo kết quả: tường trình, sinh viên cần báo cáo  Dựng đường chuẩn xác định khoảng tuyến tính, ước lượng giá trị LOD LOD phương pháp  So sánh nhận xét khía cạnh sau hai hệ “modified-MHS-10” MVU-1 i Bản chất tín hiệu hấp thu quan sát thấy ii Các trình diễn hệ iii Các yếu tố ảnh hưởng đến phép phân tích iv Độ nhạy hệ, giải thích rõ  Suy luận kết tương tự thực hành với hệ HVG (hệ lấy mẫu liên tục) FIAS (tiêm dòng chảy) 10 ... đơn nguyên tử trạng thái tuân theo định luật Lambert Beer A = lg I0 = KLC I Trong A độ hấp thu (mật độ quang) , kỹ thu t lửa: A lấy trung bình theo thời gian, kỹ thu t lò graphite: A phụ thu c... thu xạ đơn sắc từ đèn HCL Hg cho phổ hấp thu Do NaBH đắt tiền nên SnCl2 thường sử dụng làm chất khử phép phân tích Hg II Quy tắc định lượng Hg Nguyên tắc chung Sự hấp thu xạ đặc trưng phát từ... sinh) HgCl42- + 2H* → Hgo + 2H+ + b HgCl42- + SnCl3- → Hgo + 4Cl- SnCl62- + Cl- o ESnCl = +0.139V 2− / SnCl − ,3Cl − o E HgCl 2− / Hg liquid , 4Cl − = +0.438V E Ho + / H * = −2.1065V Hơi Hg hấp thu